Att få upp enorma mängder protoner på kortaste avstånd på bråkdelar av en sekund – det är vad laseraccelerationstekniken, avsevärt förbättrats de senaste åren, kan göra. Ett internationellt forskarlag från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung och Helmholtz Institute Jena, en gren av GSI, i samarbete med Lawrence Livermore National Laboratory, U.S., har lyckats använda protoner accelererade med GSI-högeffektlasern PHELIX för att dela upp andra kärnor och analysera dem. Resultaten har nu publicerats i tidningen Naturvetenskapliga rapporter och skulle kunna ge nya insikter om astrofysiska processer.

Under mindre än en pikosekund (en biljondels sekund), PHELIX-lasern lyser sin extremt intensiva ljuspuls på en mycket tunn guldfolie. Detta räcker för att kasta ut ungefär en biljon vätekärnor (protoner), som bara är lite fästa vid guldet, från baksidan av folien, och accelerera dem till höga energier. "Ett så stort antal protoner på så kort tid kan inte uppnås med standardaccelerationstekniker, " förklarar Pascal Boller, som forskar om laseracceleration på GSI:s forskningsavdelning Plasma Physics/PHELIX som en del av sina forskarstudier. "Med denna teknik, helt nya forskningsområden kan öppnas som tidigare var otillgängliga."

Dessa inkluderar generering av kärnklyvningsreaktioner. För det här syftet, forskarna lät de nygenererade snabba protonerna träffa uranmaterialprover. Uran valdes som fallstudiematerial på grund av dess stora reaktionstvärsnitt och tillgången på publicerade data för benchmarking. Proverna måste vara nära protonproduktionen för att garantera maximalt utbyte av reaktioner. Protonerna som genereras av PHELIX-lasern är tillräckligt snabba för att inducera klyvning av urankärnor till mindre klyvningsprodukter, som sedan återstår att identifiera och mäta. Dock, laserstöten har oönskade biverkningar:Den genererar en stark elektromagnetisk puls och en gammy-blixt som stör de känsliga mätinstrument som används för denna detektering.

I detta skede, forskarna får hjälp av expertis från en annan GSI-forskargrupp. För kemisk undersökning av supertunga grundämnen, ett transportsystem har använts ganska länge som kan transportera de önskade partiklarna över långa avstånd från reaktionsområdet till detektorn. Reaktionskammaren spolas igenom av en gas som - vid fissionsexperiment - bär med sig klyvningsprodukterna och, inom bara några sekunder, transporterar dem via små plaströr till mätapparaten, som nu ligger flera meter bort. På det här sättet, generering och mätning kan separeras rumsligt och störningar kan förhindras.

För första gången, det var möjligt i experimenten att kombinera de två teknikerna och på så sätt generera en mängd olika cesium, xenon- och jodisotoper via klyvning av uran, att på ett tillförlitligt sätt identifiera dem via deras emitterade gammastrålning och observera deras korta livslängd. Detta tillhandahåller en metod för att studera fissionsreaktioner i högdensitetsplasmatillståndsmaterial. Jämförbara förhållanden kan hittas, till exempel, i rymden inuti stjärnor, stjärnexplosioner eller sammanslagningar av neutronstjärnor. "Att förstå reaktionsprocesserna för kärnor som interagerar med varandra i plasma kan ge oss insikter om ursprunget till atomkärnor, den så kallade nukleosyntesen, i vårt universum. Nukleosyntesprocesser som s-process eller r-process äger rum i exakt sådana medier, " förklarar Boller. "Rollen fissionsreaktioner spelar i dessa processer har ännu inte undersökts i detalj. Här, de laseraccelererade protonerna kan ge ny information."

Ytterligare mätningar med metoderna planeras för framtida experiment med PHELIX-lasern vid GSI såväl som vid andra forskningscentra runt om i världen. Undersökningen av mycket tät materia med jon- och laserstrålar kommer också att vara ett av ämnena som drivs på den framtida forskningsanläggningen FAIR. FAIR byggs för närvarande på GSI i internationellt samarbete. Med mottot "Universum i laboratoriet, "det är avsett att reproducera förhållanden som de inträffar i astrofysiska miljöer på jorden, därmed utöka kunskapen om vårt kosmos.